最近的一项研究利用先进的原子级计算机模拟来预测量子技术中有用的自旋缺陷的形成过程。由朱利亚-加利领导的芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员进行了一项计算研究，预测了在碳化硅中产生特定自旋缺陷的必要条件。这些研究结果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上，标志着在建立自旋缺陷制造参数方面迈出了重要一步，而自旋缺陷具有推动量子技术进步的潜力。

研究人员确定了在碳化硅中产生特定自旋缺陷的计算策略，为量子技术进步铺平了道路。他们的研究结果主要集中在二价自旋缺陷的形成上，这表明还需要做更多的工作来推广这种方法。这项研究对量子信息和传感应用至关重要，并得到了实验人员的密切合作和能源部的资助。图片来源：Emmanuel Gygi 提供。图中部分内容改编自 Christoph Dellago 和 Peter G. Bolhuis, Adv. Poly. 科学》，施普林格出版社（2008 年）。

量子机制与当前挑战

半导体和绝缘体中的电子自旋缺陷是量子信息、传感和通信应用的丰富平台。缺陷主要源自固体中的杂质和/或错位原子，与这些原子缺陷相关的电子带有自旋。这种量子力学特性可用于提供可控的量子比特，即量子技术中的基本操作单元。

然而，人们对这些自旋缺陷的合成（通常是通过植入和退火工艺在实验中实现的）还不甚了解，更重要的是，还无法对其进行完全优化。碳化硅是一种极具吸引力的自旋量子比特宿主材料，因其具有工业可用性，但迄今为止，不同的实验在制造所需的自旋缺陷方面得出了不同的建议和结果。

计算之旅和发现

分子工程与化学教授加利是这篇新论文的通讯作者，他说："目前还没有一种明确的策略，可以按照我们想要的精确规格设计自旋缺陷的形成，这种能力对于推动量子技术的发展非常有利。因此，我们开始了漫长的计算之旅，并提出了以下问题： 我们能否通过进行全面的原子模拟来了解这些缺陷是如何形成的？"

加利的团队，包括小组的博士后研究员张存志和加州大学戴维斯分校计算机科学教授弗朗索瓦·吉吉结合多种计算技术和算法，预测了碳化硅中被称为"空位"的特定自旋缺陷的形成。

空位是通过移除碳化硅固体中相邻的一个硅原子和一个碳原子而产生的。从以前的实验中了解到，这类缺陷是很有希望的传感应用平台。

量子传感可以实现磁场和电场的探测，还能揭示复杂的化学反应是如何发生的，这些都是当今技术无法实现的。加利说："要在固态中释放量子传感能力，我们首先需要能够在正确的位置创造出正确的自旋缺陷或量子比特。 "

为了找到预测特定自旋缺陷形成的方法，加利和她的团队结合了几种技术，帮助他们观察缺陷形成时原子和电荷的运动与温度的函数关系。

团队量子模拟中使用的第一原理分子动力学代码 Qbox 的主要开发者 Gygi 说："通常情况下，当自旋缺陷产生时，其他缺陷也会出现，这些缺陷可能会对自旋缺陷的目标传感能力产生负面干扰。这样一来，能够充分理解缺陷形成的复杂机理非常重要。 "

技术与预测

研究小组将 Qbox 代码与中西部计算材料综合中心（MICCoM）开发的其他先进采样技术相结合，该中心是一个计算材料科学中心，总部设在阿贡国家实验室，由能源部资助，Galli 和 Gygi 都是该中心的高级研究员。

加利说："我们的综合技术和多重模拟向我们揭示了在碳化硅中高效、可控地形成二价自旋缺陷的特定条件。在我们的计算中，我们让基本物理方程告诉我们缺陷形成时晶体结构内部发生了什么"。

未来方向与合作

研究小组预计，实验人员将有兴趣使用他们的计算工具来设计碳化硅和其他半导体中的各种自旋缺陷，但他们也提醒说，要推广他们的工具来预测更广泛的缺陷形成过程和缺陷阵列还需要做更多的工作。加利说："但我们提供的原理证明非常重要--我们证明了可以通过计算确定产生所需自旋缺陷所需的一些条件。"

接下来，她的团队将继续努力扩大他们的计算研究，并加快他们的算法。他们还希望扩大研究范围，纳入一系列更现实的条件。"在这里，我们只研究块状样品，但在实验样品中，存在表面、应变和宏观缺陷。我们希望在未来的模拟中加入这些因素，特别是了解表面如何影响自旋缺陷的形成。"

虽然她的团队是在计算研究的基础上取得的进展，但加利说，他们的所有预测都植根于与实验人员的长期合作。"如果没有我们所处的生态系统，没有与实验人员的不断交流和合作，这一切都不会发生。"